JPH0217684A

JPH0217684A - 超電導センサ及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0217684A
Application number: JP63166708A
Authority: JP
Inventors: Koji Yamada; 宏治山田; Hideaki Nakane; 中根　英章
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-07-06
Filing date: 1988-07-06
Publication date: 1990-01-22

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野コ本発明は超電導センサに係り、特に液体窒素温度で動作
する超７１！センサに好適な構造とそのパターン作製方
法に関する。

［従来の技術］従来の超電導センサは特開昭５８−１７９８３号公報に
記載のように超電導材料としてＮｂおよびＮｂＮ薄膜が
用いられていた。また、酸化物超電導材料にはＹ　Ｂ　
ａｚ　Ｃｕ３０７−　ｘ　（以下ＹＢＣ○記す）薄膜が
用いられ超電導センサが製造されていた。

［発明が解決しようとする課題］上記従来技術のＮｂ薄膜はドライエツチングによってパ
ターン寸法１〜２時間行度の微細パターンを容易に形成
することが可能なことから、現在までに数多くの超電導
センサが実現されている。

しかし、液体ヘリウム温度（４，２Ｋ）付近でしか動作
させることができず使用範囲が限られているという欠点
があった。これに対して、ＹＢＣＯ薄膜は液体窒素（７
７Ｋ）以上の高温動作が可能であるという利点がある。

しかし、高温（９００℃以上）アニール処理を行なわな
いと超電導特性が得られないという欠点があった。また
、高温アニール処理のためにＹＢＣＯ薄膜の結晶核が３
〜５μｍにも粗大化し、処理中において、しばしば、パ
ターン崩れが生じて撤物パターンの形成が困難であった
。

第２図に従来のＹＢＣＯ膜のパターン作製工程を示す。

まず、第２図（ａ）において膜厚１μｍのＭｇＯ基板２
１上に直流マグネトロンスパッタ法により膜厚１μｍの
ＹＢＣＯ膜２２膜形２する。

形成条件は以下の通りである。基板温度３００℃。

ガス圧力１０　ｍ　Ｔｏｒｒ、スパッタガス圧力Ａｎ＋
１０％０２の混合ガスである。次いで、ｙｎｃ。

膜２２上へ膜厚１．２　μｍのＡＺ１４７０　（米国ヘ
キスト社商品名）レジストをスピン塗布法により形成す
る。引続いて、空気中において９０℃。

２０分間のプリベーク処理を行なう。パターン露光後、
アルカリ現像液を用いて６０秒間の現像処理を行なう、
現像液の組成はＡＺ現像液：水；ｌ：１を用いる。この
後、１２０℃、２０分間のポストベーク処理を行なって
レジストパターン２３を形成する。次いで、第２図（ｂ
）において、レジストパターン２３をマスクにしてＹＢ
ＣＯ膜２２膜形２エツチングによりパターン加工を行な
いＹＢＣＯ膜パターン２２を形成する。化学エツチング
の組成比は、硝酸：氷酢酸＝１　：　２００で液温２３
〜２４℃中で行なう。エツチング時間は約６０秒間行な
った。次いで、第２図（ｃ）において、ＹＢＣＯ膜パタ
ーン２２上の不要レジストをアセトンを用いて超音波洗
浄により除去してＹＢＣ○膜パターン２２を形成する。

次いで、第２図（ｄ）におイテ、ＭｇＯ基板２１とＹＢ
ＣＯ膜パターン２２と酸素雰囲気中において、９００℃
。

２時間の高温アニールを行なった。この結果、アニール
処理中において図中（ｄ）点線丸印内に示す様なパター
ン崩れが生じて所望とする断面形状の微細パターンを形
成することが出来なかった。

このパターン崩れは結晶成長過程に生じたものである。

この様なパターン崩れは多層を目的としたセンサではＹ
ＢＣＯ膜パターンに対して眉間絶縁の被覆が不十分とな
り層間ショッート等の不良原因となる。

以上の様々な問題点のあることからＹＢＣＯ膜を始めと
した酸化物超電導膜を用いたセンサへの応用が大幅に遅
れていた。このために、コストの安価な液体窒素（７７
Ｋ）以上での高温動作可能な酸化物超電導センサの新し
いパターン製造方法が強く要望されていた。

本発明の目的は上記問題を解消するための構造を有する
酸化物超電導センサとその製造方法を提供することにあ
る。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するためには、まず、スパッタ直後にお
いてＹＢＣＯ膜を所望のパターン形状に加工をする０次
いで、エツチング部分を絶縁膜によって埋戻しを行ない
平坦化とする。次いで。

ＹＢＣＯ膜パターンの上部露出部分も絶縁膜により全面
に上乗せをし完全包囲する様な構造とする。

この後、高温（６００〜９５０℃）酸素雰囲気中におい
てアニール処理（１〜２時間）を行えばパターン崩れを
完全に無くし微細パターンの形成が可能となる。

［作用］ＹＢＣＯ膜はスパッタ直後においては、表面が平坦な非
晶質膜である。したがって、パターン加工は、この時点
で通常の半導体で用いられるレジストや金属膜等もマス
クにしてエツチングを行なえば所望とする微細パターン
が形成できる。また。

高温アニール処理前であるので基板とＹＢＣＯ膜との界
面における反応層も生成されていないのでエツチングに
よる残渣等の問題もなく微細パターンが設討寸法通りに
形成できる。したがって、このＹＢＣＯ膜の微細パター
ンを高温アニール処理前に絶縁膜によって包囲してやれ
ば、処理中においてパターン崩れを完全に抑制すること
が可能となる。このため、ＹＢＣＯ膜パターンに対する
層間絶縁膜の被覆も十分となるためにデバイスにおける
層間ショートの問題が皆無となり誤動作することなくな
る。

［実施例］以下、本発明の実施例を図面により説明する。

第１図は、本発明のパターンを形成するための作製工程
を示すものである。まず、第１図（ａ）は膜厚１ｍｍの
ＭｇＯ基板１１上に直流マグネトロンスパッタ装置を用
いて膜厚１μｍのＹＢＣＯ膜１２を堆積する。形成条件
は、基板温度３００’Ｃ。

ガス圧力１Ｑｙ１１Ｔｏｒｒ、スパッタガスＡｒ＋１０
％０２の混合ガスである。次いで、ＹＢＣＯ膜１２上へ
マスク材となるＮｂ膜１３を膜厚１μｍ堆積する。形成
条件は、基板温度２４〜２６℃、ガス圧力６ｍＴｏｒｒ
、スパッタガスはＡｒである。次いで、Ｎｂ膜１４へ膜
厚１．４μｍのＡＺ１４７０（米国ヘキスト社商品名）
レジストをスピン塗布法により形成する。引続いて、空
気中において９０℃、２０分間のプリベーク処理を行な
う。所望とするパターン露光後、アルカリ現像液を用い
て６０秒間の現像処理を行なってからレジストパターン
１４を形成する。なお、この後ドライエツチングパター
ン加工を行なうため、レジストパターン１４は断面形状
を保つためにポストベーク処理は行なわなかった。次い
で、第１図（ｂ）においてレジストパターン１４をマス
クにしてＣＦ。

ガスによる反応性イオンエツチングを行ないＮｂ膜パタ
ーン１３の金属マスクを形成した。形成条件は、ガス圧
力２００　ｍ　Ｔｏｒｒ、パワー１００Ｗである。次い
で、第１図（ｃ）においてＮｂ膜パターン１３上の不要
レジストをアカトン中において超音波洗浄により除去し
た。

次いで、第１図（ｄ）においてＹＢｃＯ膜１２をスパッ
タエツチングによりパターン加工を行なうために真空装
置内に挿入する。−度、２Ｘ１０−’Ｔｏｒｒに減圧し
た後、ガス圧力２０　ｍ　Ｔｏｒｒ。

パワー３００Ｗ、Ａｒ＋５％０２の混合ガス中において
Ｎｂ膜パターン１３をマスクにして約５０分間のスパッ
タエツチングを行ないＹＢＣＯ膜パターン１２を形成し
た。この際のＹＢＣＯ膜パターン１２とＮｂ膜パターン
１３との選択比は約１５である。すなわち、ＹＢＣＯ膜
の膜厚１μｍが完全にエツチング除去した時にはＮｂ膜
の膜厚は約０．９μｍ残っており１次の絶縁膜によって
埋戻す際のリフトオフマスクの膜厚としては十分である
。次いで、第１図（ｅ）においてＹＢＣＯ膜１２のエツ
チング部分を絶縁膜によって埋戻しを行なうためスパッ
タ装置内に挿入した。絶縁膜としてはＭｇＯ基板をスパ
ッタターゲットとして直流マグネトロンスパッタによっ
て形成した。

ＭｇＯの膜厚は約１μｍで全面に堆積した。形成条件は
、放電時のガス圧力は１０　ｍ　Ｔｏｒｒ、スパッタガ
スはＡｒ＋１０％０２の混合ガスで堆積速度は１８ｎｍ
／分とした。次いで、第１図（ｆ）においてＹＢＣＯ膜
パターン１２上Ｎｂ膜パターン１３と、さらに、その上
に堆積されたＭｇＯ膜１５を除去するためにＣＦ４ガス
を用いた反応性イオンエツチングによりリフトオフを行
ない平坦化とした。この際、ＭｇＯ膜１５はＣＦ、ガス
に対してほとんどエツチングされずに残るのでＮｂ膜パ
ターン１３上のＭｇＯ膜１５のみが除去される。なお、
スパッタ装置内において、ＭｇＯ膜のフレークを避ける
ために試料のセットは下向きにすることが条件の１つで
ある。

次いで、第１図（ｇ）においてＹＢＣＯ膜パターンの上
部露出部分もＭｇＯ膜１６によって被覆するために直流
マグネトロンスパッタによって膜厚０，２μｍを堆積し
た。形成条件は前述と同条件で行った。図で明らかな様
にＹＢＣ○膜パターン１２はＭｇＯ膜１２，１６によっ
て完全包囲されている。次いで、第１図（ｈ）において
、ＭｇＯ基板１１とＹＢＣ○膜パターン１２を酸素雰囲
気中において高温アニール処理を９００℃で２時間行な
って完了した。この結果１点線丸印内で示す様にＹＢＣ
Ｏ膜パターン１２はパターン崩れもなく所望通りの断面
形状に作製することが可能となった。また、本プロセス
は平坦化が可能となるので多層センサにおける配線パタ
ーン等の段切れの問題も解消される利点がある。

第３図は、本発明で作製した酸化物超電導量子干渉計セ
ンサの模式図（ａ）とその最小線幅の部分を絶縁膜で包
囲した断面の一部（ｂ）である。

基板には両面研摩をした膜厚１ｍｍの５ｒＴｉＯ。

基板３１を用いている。ＹＢＣＯ薄膜電極３２の中央部
に磁束が鎖交する２０μｍ　の開口部３３を設けてあり
、両側からパターン寸法２μｍの切り込み部３４を設け
て、２つのジョセフソン接合３５を設けている。最小幅
は２μｍである。ジョセフソン接合３５の部分では弱結
合を作るために通常のサンドイッチ形のジョセフソン接
合に比べて超電導センサの出力電圧を大きくできる効果
がある。第３図（ｂ）は模式図（ａ）中のＡ−Ａ’点線
の断面部分を示したものでありＭｇ○膜３６゜３７によ
ってジョセフソン接合部分が完全に包囲されており高温
アニール後においてパターン崩れが見られない。

また、本発明はドライエツチングを用いているのでパタ
ーン加工の制御性も良い。したがって、酸化物超電導薄
膜の特性に合わせ微細パターンの寸法を設計９選択して
も十分に加工精度の点で対処できる。

［発明の効果コ本発明によってＹＢＣＯ系の酸化物超電導薄膜は高温ア
ニール中でのパターン崩れが皆無となった。さらに、平
坦化が可能となるため従来問題となっていた段差急峻部
における各層間の段切れが皆無となり信頼性の高い多層
の酸化物超電導センサの製造が可能となった。これによ
り従来に比べてコストの安価な液体窒素温度７７に以上
での酸化物超電導センサの高温動作が実現可能となった
。

例えば、超電導量子干渉計センサに適用した結果、十分
な再現性が得られ微小磁界を検出する用途、例えば、医
療応用や材料検査への適用範囲が大幅に拡大するという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のＹＢＣＯ膜パターンを形成するための
作程工程を示す図、第２図は従来のＹＢＣＯ膜パターン
を形成するための作程工程を示す図、第３図は本発明で
作製した超電導量子干渉計センサを示す図である。１１．２１．３１・・・基板、１２，２２・・・ＹＢＣ
Ｏ膜パターン、１３・・・Ｎｂ膜パターン、１４゜２３
・・・レジストパターン、１５．１６，３６゜３７・・
・ＭｇＯ膜、３２・・・ＹＢＣＯ薄膜電極、３３・・・
ＹＢＣＯ薄膜電極、３３・・・開口部、３４・・・切り
込み部、３５・・・ジョセフソン接合。第匡２／ｚ某臘 γ１３ｃｏＡ兵ノぐターンしシ゛ス）パターン関口郡Ａ　ＩＯ傾

Claims

【特許請求の範囲】１、基板上に成膜された酸化物超電導薄膜をドライエッ
チングにより所望とするパターン形状の加工を行ない、
引続いて、該薄膜のエッチング除去部分を絶縁膜により
埋戻して平坦化とし、引続いて、該パターン上部露出部
分を絶縁膜により完全包囲する構造とすることを特徴と
する超電導センサ。２、特許請求の範囲第１項記載のパターン加工と絶縁膜
による包囲は、酸化物超電導薄膜をスパッタ形成直後に
行ない、その後に高温アニール処理を６００〜９５０℃
の酸素雰囲気中において１〜２時間行なうことを特徴と
する超電導センサ製造方法。